摘要
測控系統網絡化已經向自動檢測、智能控制、遠程操控深入發展。在傳統的測控系統領域中大量的測試單元（儀器儀表）和測試點之間、中央處理器等方面的信息交換量越來越大，配合越來越密切的情況下，無線網絡技術給測控系統提供了有力的技術支持，使得軟硬件各自的優勢互補，測控系統網絡化發展和應用成為必然。
本設計是基于組態王的占空比PID溫度控制系統的設計。通過組態王軟件強大的監控界面顯示功能、數據庫、命令語言、數據庫、仿真等，RS232串行接口轉換器實現與無線通信平臺完成通信，完成后通過牛頓7012采集電壓，并轉換成為溫度進行界面設計，并編寫PID占空比程序進行外部控制，設置以固定時間T0為加熱周期，如10秒，根據PID數字輸出，去調節10秒內的加熱時間的百分比，加熱比例為T1/T0，若10秒內加熱10%，則T0=10秒，T1=1秒，以改變加熱功率。控制時，根據PID數字輸出，算出加熱比，經過DA輸出5VDC時通電，0VDC時斷電，以此來實現溫度的占空比PID控制。
目錄
1 緒論 1
2 系統簡介 2
2.1 系統結構 2
2.2 硬件原理 4
2.3 控制原理 5
3 組態軟件概述 7
3.1 組態軟件應用的背景 7
3.2 組態軟件的特點和功能 7
3.3 組態軟件現狀和使用組態軟件的步驟 8
3.4 KingviewV6.55概述 9
4 界面設計編程 11
4.1 設備連接 11
4.2 主要界面設計 11
4.3 變量設置 13
4.4 動畫連接 13
總結 15
參考文獻 16
1 緒論
基于組態王的占空比PID溫度控制系統設計主要包括：采集溫度控制箱的溫度數據；和微機進行串口連接，使能夠把采集到的溫度數據顯示在微機平臺；進行調試，完成與無線通信模塊連線之間的網絡測控系統，確保不同占空比下溫度的PID控制。
無線通信是利用電磁波信號的特性進行信息交換的一種通信方式，近些年信息通信領域中，發展最快、應用最廣的就是無線通信技術。尤其在分布距離較遠且數據傳輸量不大時，無線通信網絡的優勢更為明顯，為網絡測控系統提供了信息交換平臺。
組態軟件是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。組態軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協議，并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具或開發環境。隨著組態軟件自身以及控制系統的發展，監控組態軟件部分地與硬件發生分離，為自動化軟件的發展提供了充分發揮作用的舞臺。OPC（OLE for Process Control）的出現，以及現場總線尤其是工業以太網的快速發展，大大簡化了異種設備間的互連，降低了開發I/O設備驅動軟件的工作量。I/O驅動軟件也逐漸向標準化的方向發展。
因此本系統設計采用組態王組態軟件實現功能設計和測試，當程序在調試時，使用實驗箱I/O設備模擬下位機向畫面程序提供數據，為畫面程序的調試提供方便。組態王提供一個設備接口，用來模擬實際設備向程序提供數據，供用戶調試。用戶如果對控制效果不滿意，可以在線反復修改“P，I，D參數”，用計算機實現PID控制，把模擬PID控制規律數字化，進一步與計算機的邏輯判斷功能相結合，使PID控制滿足生產過程提出的要求。
本論文所設計的基于無線控制網絡的電加熱爐溫度控制系統具有控制精度高、控制溫度范圍大、升溫速度快等優點。因此對于一個具體的控制對象或者對象模型來說，單憑現場調試不僅需要大量反復的實驗，而且需要調試者對PID控制方式有深入的了解
2 系統簡介 2.1 系統結構 （1）系統整體結構 本課程設計利用實驗室的無線通信控制網絡平臺實現電加熱爐（電烤箱）的溫度控制，控制算法采用PID控制算法，無線模塊為臺灣威達（ICP）無線通信模塊SST900EXT，通信距離1km；波特率最大19200；232/485通信接口；計算機用RS232口通信，也可以通過USB轉RS232轉換器進行連接。 - 7044：數字量模塊，4DI（開關量）/8DO（OC門）；485接口；地址設為3。
- 7012： 模擬量輸入模塊，16位隔離；485接口；地址設為2；電壓輸入0~10VDC對應0~32767數字量。
- 7021：模擬量輸出模塊，12位隔離；485接口；地址設為1；電壓輸出：0~4095對應0~10VDC。
硬件平臺原理圖如圖2.1所示，實物圖如圖2.2所示。 
圖2.1 無線通信控制網絡平臺原理  
圖2.2 無線通信控制網絡平臺實物圖 （2）溫度控制系統電路連接 溫度控制系統使用7012和7021兩個控制模塊實現。溫度控制系統連線如下圖2.3所示。 圖2.3 溫度控制系統連接圖
2.2 硬件原理 無線通信硬件原理圖和實驗箱溫度控制原理圖如下圖2.4、2.5所示。 
圖2.4 無線通信控制網絡電路圖 
圖2.5 實驗箱溫度控制電路圖 2.3 控制原理 （1）典型計算機控制系統原理圖如圖2.6所示。  圖2.6 計算機控制系統原理圖
對于溫度控制系統，r是設定溫度值；數字控制器是PID控制器；執行機構是調壓模塊；被控對象是電加熱爐；y是實際溫度值，測量變送包括PT100傳感器和變送器（本設計系統對應0~100℃變送為0~10VDC電壓）。 - 電熱爐模型如圖2.7所示，控制曲線如圖2.8所示。
 
圖2.7 電熱爐模型  圖2.8 控制曲線 （3）加熱電壓控制方式 本溫度控制系統的執行器為電熱爐電壓調節模塊，設計中加熱電壓控制為占空比控制方式，以固定時間T0為加熱周期，如5秒，根據PID數字輸出，去調節5秒內的加熱時間的百分比，如圖9，加熱比例為T1/T0，若5秒內加熱10%，則T0=5秒，T1=0.5秒，以改變加熱功率。控制時，根據PID數字輸出，算出加熱比，經過DA輸出5VDC時通電；0VDC時斷電。如圖2.9所示。  圖2.9 占空比
3 組態軟件概述 組態軟件是指一些數據采集與過程控制的專用軟件，它們是在自動控制系統監控層一級的軟件平臺和開發環境，使用靈活的組態方式，為用戶提供快速構建工業自動控制系統監控功能的、通用層次的軟件工具。組態軟件應該能支持各種工控設備和常見的通信協議，并且通常應提供分布式數據管理和網絡功能。對應于原有的HMI（Human Machine Interface，人機接口軟件）的概念，組態軟件應該是一個使用戶能快速建立自己的HMI的軟件工具或開發環境。 在工業控制技術的不斷發展和應用過程中，PC（包括工控機）相比以前的專用系統具有的優勢日趨明顯。這些優勢主要體現在：PC技術保持了較快的發展速度，各種相關技術日臻成熟；由PC構建的工業控制系統具有相對較低的擁有成本；PC的軟件資源和硬件資源豐富，軟件之間的互操作性強；基于PC的控制系統易于學習和使用，可以容易的得到技術方面的支持。在PC技術向工業控制領域的滲透中，組態軟件占據著非常特殊而且重要的地位。 組態的英文是“Configuration”,簡單的講，組態就是用應用軟件中提供的工具、方法，完成工程中的某一具體任務的過程。與硬件生產相對照，組態與組裝類似。 3.1 組態軟件應用的背景 組態軟件由早先單一的人機界面向數據處理機方向發展，管理的數據項越來越大，實時數據庫事的作用進一步加強。隨著組態軟件自身以及控制系統的發展，監控組態軟件部分地與硬件發生分離，為自動化軟件的發展提供了充分發揮作用的舞臺。OPC（OLE for Process Control）的出現，以及現場總線尤其是工業以太網的快速發展，大大簡化了異種設備間的互連，降低了開發I/O設備驅動軟件的工作量。I/O驅動軟件也逐漸向標準化的方向發展。組態軟件是一個完全意義上的工業級軟件平臺，現已廣泛應用于化工、電力、國屬糧庫、郵電通信、環保、水處理、冶金和食品等各個行業，并且作為首家國產監控組態軟件應用于國防、航空航天等關鍵領域。 3.2 組態軟件的特點和功能一般來說，組態軟件是數據采集監控系統（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）的軟件平臺工具，是工業應用軟件的一個組成部分。它具有豐富的設置項目，使用方式靈活，功能強大。 組態軟件的主要特點是： （1）延續性和可擴性。用通用組態軟件開發的應用程序，當現場（包括硬件設備或系統結構）或用戶需求發生改變時，不需要很多修改就可方便的完成軟件的更新和升級。 （2）封裝性 。通用組態軟件所能完成的功能都用一種方便用戶的方法包裝起來，對于用戶，不需要掌握太多的編程語言技術（甚至不需要編程技術），就能很好地完成一個復雜工程所要求的所有功能。 （3）通用性。每個用戶根據工程實際情況，利用通用組態軟件提供的底層設備（PLC、智能儀表、智能模塊、板卡、變頻器等）的I/O Driver、開放式的數據庫和畫面制作工具，就能完成一個具有動畫效果、實時數據處理、歷史數據和曲線并存、具有多媒體功能和網絡功能的工程，不受行業限制。 目前看到的所有組態軟件都能實現如下的類似功能: 幾乎所有運行于32位Windows平臺的組態軟件都采用類似的資源瀏覽器的窗口結構，并對工業控制系統中的各種資源（設備、標簽、畫面等）進行配置和編輯；處理數據報警及系統報警；提供多種數據驅動程序；各類報表的生成和打印輸出；使用腳本語言提供二次開發的功能；存儲歷史數據并支持歷史數據的查詢等。 3.3 組態軟件現狀和使用組態軟件的步驟 （1）組態軟件的現狀 目前應用比較廣泛的國外組態軟件有WondWare的InTouch、西門子公司的WinCC、澳大利亞的CiTech、美國Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等。 這些軟件系統主要有數據采集與控制信息發送、報警處理和歷史趨勢顯示與記錄功能，但是針對國內的需要，這些系統還有明顯的弱點：本地化差，雖然部分系統已經漢化，但是中國市場中某些行業規范，它們很難滿足；價格昂貴，這些系統價格昂貴，很難為國內一般應用所接受。 同國外系統相比，大部分國產通用系統具有較高的性能價格比，本地化能力較強，如三維科技公司的力控、北京亞控科技公司的組態王等。但多數產品仍有諸如與MIS集成能力差、GIS功能薄弱、多任務調度能力差、事故追憶和診斷能力缺乏等致命的弱點，要滿足企業級和行業部門級大型集中監控管理GIS系統的要求，還需要相當長的時間。 （2）使用組態軟件的一般步驟 如何把具體的工程應用在組態王軟件中進行完整、嚴密的開發，使組態軟件能夠在正常工作，主要包括以下幾個典型的組態步驟： （1)：將所有I/O點的參數收集齊全，并填寫表格，以備在監控組態軟件和PLC上組態時使用。 （2):搞清楚所使用的I/O設備的生產商、種類、型號、使用的通信接口類型，采用的通信協議，以便在定義I/O設備時做出準確選擇。 （3):將所有I/O點的I/O標識收集齊全，并填寫表格，I/O標識是唯一地確定一個I/O點的關鍵字，組態軟件通過向I/O設備發出I/O標識來請求其對應的數據。在大多數情況下I/O標識是I/O點的地址或位號名稱。 （4):根據工藝過程繪制、設計畫面結構和畫面草圖。 （5):按照第一步統計出的表格，建立實時數據庫，正確組態各種變量參數。 （6):根據第一步和第二步的統計結果，在實時數據庫中建立實時數據庫變量與I/O點一對一的對應關系，即定義數據連接。 （7):根據第四步的畫面結構和畫面草圖，組態每一幅靜態的操作畫面（主要是繪圖）。 （8):將操作畫面中的圖形對象與實時數據庫變量建立動畫連接，規定動畫屬性和幅度。 （9):視用戶需求，制作歷史曲線，報警顯示，以及開發報表系統。之后，還需要加上安全權限設置。 （10):對組態內容進行分段和總體調試，視調試情況進行相應修改。 （11):將全部內容調試完成以后，對上位軟件進行最后完善，讓系統投入正式運行。 3.4 KingviewV6.55概述 組態王 KingviewV6.5軟件是運行于Windows2000/NT4.0(補丁6)/XP簡體中文版的中文界面的人機界面軟件，采用了多線程、COM組件等新技術，實現了實時多任務，軟件使用方便，功能強大，性能優異，運行穩定，質量可靠。 組態王KingviewV6.5軟件包括以下三部分組成： 工程管理器（ProjManager） ； 工程瀏覽器（TouchExplorer）； 工程瀏覽器（TouchExplorer）； 在“組態王”軟件中，用戶建立的每一個應用程序為一個工程。在每一個工程的路徑下，生成了一些重要的數據文件，這些數據文件不允許直接修改，必須通過工程管理器或工程瀏覽器來修改。 （1）工程管理器 對于系統集成商和用戶來說，一個系統開發人員可能保存有很多個組態王工程，對于這些工程的集中管理以及新開發工程中的工程備份等都是比較繁瑣的事情。工程管理器是應用程序的管理系統，具有很強的管理功能，主要作用是為用戶集中管理本機上的組態王工程。工程管理器的主要功能包括：新建工程、刪除工程，搜索指定路徑下的所有組態王工程，修改工程屬性，工程的備份、恢復，數據詞典的導入導出，切換到組態王開發或運行環境等。 工程管理器實現了對組態王各種版本工程的集中管理，使用戶在進行工程開發和工程的備份、數據詞典的管理上方便了許多。 （2）工程瀏覽器 工程瀏覽器是組態王的一個重要組成部分，它將圖形畫面、命令語言、設備驅動程序、配方、報警、網絡等工程元素集中管理，工作人員可以一目了然地查看工程的各個組成部分。工程瀏覽器簡便易學，操作界面和Windows中的資源管理器非常類似，為工程的管理提供了方便高效的手段。組態王開發系統內嵌于組態王工程瀏覽器，又稱為畫面開發系統，是應用程序的集成開發環境，工程人員在這個環境里進行系統開發。 利用“工程管理器”界面：單擊菜單“工具/切換到開發系統”命令或工程管理器工具條上的“開發”按鈕或快捷菜單“切換到開發系統”命令或雙擊工程信息顯示區中顯示的工程條目后，進入組態王開發系統（即工程瀏覽器），同時將自動關閉工程管理器。 （3）畫面運行系統 在組態王中，工程瀏覽器（TouchExplorer）和畫面運行系統（TouchView）是各自獨立的Windows應用程序，均可單獨使用。一個工程可以同時被編輯和運行，這對于工程的調試是非常方便的。同時兩者又相互依存，在工程瀏覽器內嵌的畫面制作開發系統中設計開發的畫面應用程序必須在畫面運行系統的運行環境中才能運行。
4 界面設計編程 4.1 設備連接 
首先進行上位機與下位機之間的連接。連接成功標志圖如4-1所示。
圖4.1 設備連接圖 4.2 主要界面設計 （1）啟動組態王工程管理器，選擇菜單“文件”中的“新建工程”，建立一個工程文件；進行界面設計中控件與各種參數連接；進行調試界面變得友好， 簡潔。 本系統主界面界面設計如圖3.2所示。
圖4.2 主界面設計
（2）選擇菜單“文件”中的“新畫面”，建立一個新畫面，命名為“電熱爐數學模型”如圖4.2所示。
圖4.2 電熱爐數學模型圖
- 選擇菜單“文件”中的“新畫面”，建立一個新畫面，命名為“PID溫度控制原理圖”如圖4.3所示。
圖4.3 PID溫度控制原理圖
4.3 變量設置 打開工程瀏覽器，點擊“數據詞典”，再點擊“新建”建立“設定溫度”、“當前溫度”、“P”、“I”、 “D”、“輸出”等變量。其中變量類型和寄存器是最關鍵的，在組態王和下位機之間傳輸的變量都是I/O類型的，只在組態王內部需要的是內存型的。寄存器和數據類型要與程序中一致，否則組態王就不能起到監控作用了。比如“設定溫度”的寄存器為AI,數據類型為float。“當前溫度”的寄存器為AO,數據類型為float。變量設置見圖4.4所示。 
圖4.4 變量設置 4.4 動畫連接 打開主界面，雙擊需要設定值，出現如圖 4.5 所示的動畫連接畫 面。在模擬值輸如左邊打鉤，出現模擬值輸入連接畫面。點擊表達式框右邊的問號，選擇變量 。輸出格式中設置合適整數位數和小數，顯示格式設置為十進制，最后點擊“確定” 。 動畫連接見圖4.5所示。 
圖4.5 動畫連接
總結 從本次設計選題，查閱資料，設計題目，完成設計以及論文的撰寫用了兩周多的時間。這是一次難得的實踐機會，通過本次課程設計，我們對工業控制控了解進一步加深。 本次設計研究的是溫度控制，采用PID算法控制，經過運行結果分析得到的PID控制規律為：P越大，被控量上升速度變快，穩態誤差減小，但是超調量增大，震蕩次數增加，調節時間增長，動態性能變壞。增益過大還會使閉環控制不穩定，反之亦然。積分系數I增大，減小了穩態誤差，提高了控制精度，在純比例控制的基礎上增加積分控制，被控量最終等于設定值，穩態誤差會被消除。但I過大時會導致：系統動態性能變差，超調量變大。如果I過小，則會導致消除誤差的速度非常慢。微分控制系數D有超前和預測作用，在溫度尚未超過穩態值之前，根據被控量變化的趨勢，微分系數D就能提前采取措施，減小超調量。適當的微分控制作用，可以使超調量減小，調節時間縮短，增加系統的穩定性。增大D的值以后，系統超調量變小，震蕩周期縮短，震蕩幅度減小。但當D過大時，會使超調量變大，響應曲線變化遲緩。
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